Курсовая работа: Очистка подземных и поверхностных вод по озоно-сорбционной технологии для хозяйственного назначения

Примечание: в Тупкараганском и Каракиянском районах в связи с изношенностью водопроводная сеть не эксплуатируется.

Лабораторные анализы проб воды, проводимые облСЭС, показывают повышенное содержание примесей, ухудшающих органолептические свойства изменение мутности, цветности в 1,5-2 раза в с.Таучик, с. Жынгылды, г. Форт-Шевченко.

По г.Форт-Шевченко результаты анализа показывают, что показатели по содержанию натрий + калий превышают предельно допустимую норму (ПДК) почти в 2 раза (фактическое содержание 414,0 мг/л, ПДК 200 мг/л), марганца - в 2 раза (фактическое содержание - 0,24мг/л, ПДК 0,1 мг/л), хлорида - в 1,6 раза (фактическое содержание 561,2мг/л, ПДК 350мг/л).

Из общего числа проанализированных проб воды, отобранных в населенных пунктах, из скважин и месторождений больше половины (75%) не соответствуют требованиям ГОСТа и СанПиН.

Динамика некоторых показателей здоровья населения области за последнее время показывает некоторое ухудшение в целом по области и отдельным регионам и свидетельствует о неудовлетворительной ситуации в качественном водообеспечении региона.

Дефицит питьевой воды соответствующего качества, неудовлетворительное санитарно-техническое состояние водопроводов способствует высокой заболеваемости населения вирусными гепатитом "А", острыми кишечными инфекциями.

Нестабильный химический состав питьевой воды, употребляемой населением области, является одной из причин высокого уровня соматической заболеваемости, в первую очередь мочевыводящей системы (невриты, неврозы, инфекции почек и мочеточников).

Крайне неудовлетворительное санитарно-техническое состояние сооружений по очистке сточных вод не позволяет повторное использование доочищенных вод для полива дачно-огороднических участков, что сегодня еще практикуется.

На снижение качества и доступности воды, потребляемой населением региона на питьевые нужды, оказывают влияние факторы:

общее техногенное загрязнение водных источников сбросами промышленных, хозяйственно бытовых стоков;

значительный износ водопроводных и канализационных сетей и сооружений, не обеспечивающих соответствующую водоподготовку и очистку сточных вод;

вторичное загрязнение питьевой воды продуктами бактериальной деятельности, связанной разрушением антикоррозийного покрытия поверхности труб;

несовершенство механизма ценовой политики, тарифов по оплате за питьевую воду, недостатки в управлении и эксплуатации коммунально бытового сектора;

низкая платежеспособность определенной категории населения;

недостаток инвестиций в строительство и реконструкцию и восстановительные работы систем водоснабжения;

недостаточное использование разведанных месторождений подземных вод;

отсутствие в некоторых населенных пунктах региона источников питьевого водоснабжения.

1.2 Проблемы загрязнения воды

Проблемы экологии в настоящее время приобрели исключительную остроту. Научно-технический прогресс привел к высоким темпам развития промышленности и сельского хозяйства, что, в свою очередь, отразилось на уровне загрязнения окружающей среды. На глазах всего одного поколения произошло резкое ухудшение экологической обстановки практически на всех континентах нашей планеты, снизилось качество природной воды. Естественные процессы самоочищения, происходящие в природе, давно перестали быть доминирующими. Прогрессирующие темпы загрязнения окружающей среды уже привели к катастрофическим последствиям в ряде регионов мира, в том числе и в нашей стране.

В последнее время в сферу производства вовлекаются огромные массы материалов и природных ресурсов, сопоставимые с масштабами процессов в природе. Так, за один день население Земли для всех видов хозяйственной деятельности использует столько воды, сколько оно добывает за год всех полезных ископаемых - 7,5 млрд. тонн. В процессе использования воды и в результате обмена ее с атмосферой в нее попадают различные вещества. Воды, побывавшие в употреблении и загрязненные различными веществами, называют сточными. Сточные воды, попадая в водные бассейны, загрязняют их. Именно в этом заключается основная причина истощения водных ресурсов.

Все загрязняющие вещества, попадающие в водную среду, по их поведению, характеру превращения и экологическому воздействию можно разделить условно на следующие группы:

1) неорганические вещества, в первую очередь соединения тяжелых металлов и переходных металлов, радиоактивные вещества.

2) нефть и нефтепродукты;

3) обширный комплекс органических веществ, среди которых следует особо отметить получаемые искусственным путем пестициды и детергенты;

В результате протекания естественных геохимических процессов и производственной деятельности человека в атмосферу и в водные бассейны попадают в различных формах металлы и среди них тяжелые металлы. Преобладающее количество свинца и ртути попадают в водные бассейны из атмосферы. Эти металлы относятся к группе глобальных загрязнителей. Из сопоставления скоростей поступления металлов в океан и скоростей выпадения их в осадки видно, что в водах океанов в настоящее время идет накопление не только свинца и ртути, но также цинка, меди, кадмия и кобальта. Значительно повысилось содержание сурьмы, хрома, марганца и железа.

Для нормального развития организма очень важно наличие в окружающей среде необходимого набора элементов и присутствие их в определенных количественных соотношениях. Когда эти оптимальные соотношения нарушены, металлы начинают действовать как токсиканты, угнетая или подавляя те функции в организме, которые они стимулируют, будучи в малых количествах.

Наглядным примером является медь. Отсутствие меди (II) в пище приводит к развитию анемии, или дефициту железа, поскольку медь используется в организме наряду с железом в некоторых метаболических процессах. Минимальная потребность человеческого организма в меди составляет около 2 мг в день. Но потребление меди в больших количествах (50 мг) может вызвать рвоту и другие болезненные явления.

Действие определенной концентрации какого-либо металла в сочетании с незначительным количеством другого может быть в несколько раз сильнее (синергизм). Например, никель сравнительно мало токсичен, но если он попадает в воду, где присутствуют следы меди, его токсичность увеличивается в 10 раз.

Большое значение имеют и формы нахождения металлов в природной воде. Например, медь в ионной форме вредна для фотосинтеза и роста одноклеточных даже при обычной концентрации, но в органических комплексах или коллоидах - безвредна.

Многие загрязнители способны накапливаться в организмах (биологическое накопление). Как CH3Hg+, так и (CH3)2Hg способны накапливаться в растениях и организмах рыб. В рыбе концентрация ртути, да и других металлов, может быть в 1000 раз выше, чем в воде. В организме людей, питающихся отравленной ртутью рыбой, через определенный период времени накапливается слишком высокий уровень содержания ртути.

Нефтедобыча, транспортировка, нефтепереработка, потребление нефтяного топлива являются одними из главных источников загрязнения природных вод.

Присутствие нефтяной пленки и нефтепродуктов на поверхности водоемов оказывает отрицательное воздействие на водную растительность и население водного бассейна, вызывает массовую гибель моллюсков, рыб, морских животных и птиц. Нефтедобывающие и нефтехимические производства загрязняют используемую воду большим количеством различных веществ. Сточные воды этих предприятий содержат фенолы, альдегиды, метанол, диметилформамид, карбоновые кислоты, бензол, пиридиновые соединения, различные масла, взвешенные частицы, соли тяжелых металлов.

Такой химический состав сточных вод определяет свойства и характер возможного воздействия на водоемы. В первую очередь, оно может проявляться в поглощении кислорода на окисление органических веществ; в изменении органолептических свойств воды; в образовании донных полимерных отложений; в токсическом воздействии на флору и фауну водоемов. Углеводороды нефти, в отличие от многих других веществ, способны проникать в жировую ткань водных организмов и накапливаться в ней без контакта с нефтеокисляющими бактериями, а затем попадать в продукты питания человека.

Среди продуктов химического производства, входящих в состав сточных вод, особое место занимают детергенты -синтетические моющие средства (СПАВ). Они оказывают отрицательное воздействие на внешний вид водоемов и здоровье гидробионтов. Все детергенты обладают способностью образовывать стойкую пену. Физические свойства СПАВ позволяют им легко переходить в почвенные слои, увлекая за собой различные загрязнители, содержащиеся в сточных водах. Вследствие этого обнаружение СПАВ в подземных водах является индикатором загрязнения последних.

Попадая в природные воды, СПАВ сорбируются взвешенными частицами и оседают на дно водоемов, где создают вторичные очаги загрязнения. Кроме того, присутствие поверхностно-активных веществ вызывает нарушение работы всего комплекса очистных сооружений (образование пены, снижение эффективности отстаивания, торможение биохимических процессов).

Серьезную проблему вызывает и рост масштабов производства пестицидов. Синтез пестицидов сопряжен с образованием значительного количества сильно загрязненных вод, содержащих помимо высоких концентраций минеральных веществ, повышенные количества органических примесей и фосфорорганических ядов. Так, эти пестициды или продукты их превращения, часто не менее токсичные, поступают в коллекторные, грунтовые воды и открытые бассейны, накапливаясь в них. Они вызывают гибель многих микроорганизмов и обитателей вод. Вместе с тем, следуя биологическим законам трофической цепи, токсичные вещества поступают с питьевой водой и пищей в организм человека, аккумулируются в нем и вызывают тяжелые заболевания. Потенциальная опасность загрязнения воды пестицидами в значительной степени зависит от их химической природы и устойчивости. Если их дезактивация, протекающая под влиянием биологических и физико-химических факторов, завершается в течение нескольких недель после применения, то такие ядохимикаты не представляют существенной опасности. Однако, многие используемые в настоящее время пестициды являются достаточно стойкими соединениями. К ним, в первую очередь, относятся азот- и хлорсодержащие гербициды и фунгициды. Поэтому разработка новых высокоэффективных способов дезактивации таких препаратов играет особую роль в решении проблемы защиты водных ресурсов от загрязнения.

Таким образом, вклад органических веществ в загрязнение водной среды огромен. Проблема осложняется многообразием этих загрязнителей, даже их детальный анализ представляет весьма сложную, иногда трудноразрешимую задачу. Вместе с тем известно, что в результате биохимических превращений, протекающих в водных экосистемах под влиянием комплекса микроорганизмов, значительная часть органических веществ, при этом в воде образуются относительно биохимически устойчивые гуминоподобные соединения.

Полная количественная и качественная характеристика органических веществ, содержащихся в водном объекте, практически недоступна. Как правило, приходится оценивать лишь суммарное содержание органических веществ в воде по таким показателям, как общее содержание углерода органических соединений (обычно называемое "общим органическим углеродом" - ООУ) или "химическое поглощение кислорода" - ХПК Количественное описание обычно базируется на подходе, при котором реальная смесь многих веществ, находящихся почти в постоянных соотношениях, заменяется неким одним условным веществом, поведение которого исследуется и описывается.

1.3 Сущность процесса фильтрования воды

В подавляющем большинстве технологических схем водоподготовки завершающим процессом является фильтрование, в ходе которого из воды извлекаются не только дисперсии, но и коллоиды. В этом состоит отличие метода фильтрования от всех методов предварительной очистки воды.

Сущность метода заключается в фильтровании обрабатываемой воды, содержащей примеси, через фильтрующий материал, проницаемый для жидкости и непроницаемый для твердых частиц.

Водоочистные сооружения, на которых осуществляется процесс фильтрования, называют фильтрами. Фильтры по виду фильтрующей среды делят на тканевые или сетчатые, каркасные или намывные (диатомовые), зернистые (песчаные, керамзитовые и др.). Из вышеперечисленных трех групп фильтров наиболее значительной является последняя.

Фильтры с зернистой загрузкой можно классифицировать по ряду основных признаков:

1) по скорости фильтрования - медленные (0,1...0,3 м/ч), скорые (5...12 м/ч) и сверхскоростные (36...100 м/ч);

2) по давлению, под которым они работают - открытые (или безнапорные) и напорные;

3) по направлению фильтрующего потока - однопоточные, двухпоточные, многопоточные;

4) по крупности фильтрующего материала - мелко-, средне- и крупнозернистые;

5) по количеству фильтрующих слоев - одно-, двух- и многослойные.

Устройство открытого скорого фильтра показано на рисунке 1.

Прошедшая предочистку вода поступает в боковой карман, а из него - в резервуар фильтра. Высота слоя воды над поверхностью загрузки должна быть не менее 2 м. В процессе фильтрования вода проходит фильтрующий и поддерживающие слои, а затем поступает в распределительную систему и далее в резервуар чистой воды. Максимальная потеря напора в фильтрующей загрузке допускается 3...3,5 м. Во время промывки фильтра промывная вода подается в распределительную систему и далее снизу вверх в фильтрующий слой, который она расширяет (взвешивает). Дойдя до верхней кромки промывных желобов, промывная вода вместе с вымытыми ею из фильтрующего слоя загрязнениями переливается в желоба, а из них в боковой карман и отводится на сооружения оборота промывной воды.

Поддерживающий слой высотой 0,45...0,55 м с крупностью зерен 2...40 мм, на котором лежит фильтрующая загрузка, укладывают для того, чтобы мелкий фильтрующий материал не вымывался из фильтрующего слоя и не уносился вместе с фильтруемой водой через отверстия распределительной системы.

Распределительная (дренажная) система является важным элементом фильтра. Она должна собирать и отводить профильтрованную воду без выноса зерен фильтрующего материала и при промывке равномерно распределять промывную воду по площади фильтра.

Промывка скорых фильтров производится обратным током профильтрованной воды путем ее подачи под напором в поддонное пространство или в дренажную трубчатую систему. Промывная вода, проходя со скоростью в 7...10 раз большей, чем скорость фильтрования, через фильтрующую загрузку снизу вверх, поднимает и взвешивает ее. Зерна расширившегося фильтрующего материала, хаотично двигаясь, соударяются друг с другом, при этом налипшие на них загрязнения оттираются и попадают в промывную воду, которая собирается и удаляется сборными желобами, расположенными над поверхностью фильтрующей загрузки, в водосток.

1.4 Теоретические основы очистки воды фильтрованием через зернистые материалы

Из известных теорий процесса очистки воды фильтрованием наибольшее признание получила теория Д.М.Минца, которая экспериментально подтверждена и внедрена. На основе этой теории разработана методика технологического анализа процесса фильтрации, позволяющая определять параметры процесса и использовать их для оптимизации режима работы фильтровальных сооружений.

Согласно теории Д.М. Минца, при движении воды, содержащей взвешенные вещества, через зернистую загрузку фильтровальных аппаратов последние задерживаются загрузкой и вода осветляется.

Осветление воды в каждом элементарном слое загрузки происходит до тех пор, пока интенсивность прилипания частиц превышает интенсивность их отрыва. По мере накопления осадка интенсивность отрыва частиц увеличивается. Кинетика прилипания и отрыва частиц определяет ход процесса осветления воды по толщине слоя фильтрующей загрузки и во времени (рисунок 2, где показаны кривые изменения концентрации взвеси в воде по высоте загрузки). Каждая кривая относится к определенному моменту времени. Кривая 1 характерна для начального периода процесса после того, как первые порции фильтруемой воды пройдут через слой загрузки, а кривая 4 - предельному насыщению загрузки осадком. Кривая 1 показывает, как изменяется концентрация взвеси в воде по высоте загрузки толщиной х0 только под действием сил прилипания.

По мере накопления осадка в загрузке явление отрыва ранее прилипших частиц начинает проявляться все более заметно. Они показывают, что роль слоев загрузки, расположенных вблизи от поверхности, в осветлении воды уменьшается. После продолжительной работы фильтра насыщение этих слоев осадком становится предельным и они перестают осветлять воду.

Время, в течение которого загрузка способна осветлять воду до требуемой степени, называется временем защитного действия загрузки.

1.4.1 Технологическое моделирование процесса фильтрования

Моделирование технологических процессов основано на предположении, что при изменении процесса в определенных пределах физическая сущность явлений, воспроизводимых на производстве, не изменяется и силы, действующие на объект разработки, не меняют своей природы, а только величину. Технологическое моделирование особенно эффективно, когда чисто математическое описание процесса затруднительно и эксперимент является единственным средством его изучения. В этих случаях применение методов моделирования избавляет от необходимости экспериментирования с большим числом возможных вариантов выбора параметров процесса, сокращает длительность и объем экспериментальных исследований и позволяет путем несложных вычислений найти оптимальный технологический режим.

Применение методов технологического моделирования в области очистки воды имеет важное значение как научная основа интенсификации и улучшения работы действующих очистных сооружений. Эти методы указывают на систему сравнительно простых экспериментов, обработка результатов которых позволяет обнаружить скрытые резервы производительности и установить оптимальный технологический режим работы сооружений. Использование технологического моделирования дает также возможность обобщить и систематизировать экспериментальные и эксплуатационные данные по различным типам водоисточников. А это позволяет значительно сократить объем экспериментальных исследований, связанных с проектированием новых и интенсификацией существующих сооружений.

Для проведения фильтрационного технологического анализа необходимо иметь установку, схема которой представлена на рисунке 3. Основным элементом установки является фильтровальная колонка, оборудованная пробоотборниками. Для снижения влияния пристеночного эффекта, а также для того, чтобы расход воды, отбираемой пробоотборниками, не был больше допустимого для практических экспериментов значения, фильтровальная колонка должна иметь диаметр не менее 150...200 мм. Высота колонки принимается равной 2,5...3,0 м, что обеспечивает расположение в ней достаточного слоя фильтрующего материала и образование достаточного пространства над загрузкой для повышения уровня воды при увеличении потери напора в фильтрующем материале.

Пробоотборники устанавливают равномерно по высоте загрузки фильтровальной колонки на расстоянии 15...20 см друг от друга. Пробоотборник, расположенный до входа воды в загрузку, служит для контроля концентрации взвеси в исходной воде. Пробоотборник, расположенный за загрузкой, служит для контроля качества фильтрата. Остальные пробоотборники предназначены для определения изменения концентрации взвеси в толще зернистой загрузки. Для получения достоверных результатов фильтровальная колонка должна иметь не менее 6 пробоотборников. В ходе проведения опыта обеспечивают непрерывное истечение воды из пробоотборников. Суммарный расход воды из пробоотборников не должен превышать 5 % общего расхода воды, проходящей через колонку. Колонка оснащается также двумя пьезометрическими датчиками для определения общей потери напора в толще фильтрующей загрузки.

Фильтровальную колонку загружают возможно более однородным зернистым материалом. Желательно, чтобы средний диаметр зерен загрузки составлял от 0,7 до 1,1 мм. Толщина слоя песка должна быть не менее 1,0...1,2 м. Необходимое количество загрузки рассчитывают по формуле

m = r ( 1 - n ) V ,

где m - масса отмытого и отсортированного фильтрующего материала, кг; r - плотность загрузки, кг/ м3; n - межзерновая пористость фильтрующей загрузки; V - требуемый объем загрузки, м3.

После заполнения фильтрующей колонки фильтрующий материал уплотняют постукиванием по стенке колонки, пока верхняя поверхность материала не дойдет до метки, соответствующей заданному объему загрузки, когда пористость загрузки будет равна пористости этого материала в реальном крупномасштабном фильтре. (5...10 м/ч.)

2 Расчетно-технологическая часть

2.1 Применение фильтрующих материалов в водоподготовке

2.1.1 Основные параметры фильтрующей загрузки

Фильтрующая загрузка является основным рабочим элементом фильтровальных сооружений, поэтому правильный выбор ее параметров имеет первостепенное значение для их нормальной работы. При выборе фильтрующего материала основополагающими являются его стоимость, возможность получения в районе строительства данного фильтровального комплекса и соблюдение определенных технических требований, к числу которых относятся: надлежащий фракционный состав загрузки; определенная степень однородности размеров ее зерен; механическая прочность; химическая стойкость материалов по отношению к фильтруемой воде.

Степень однородности размеров зерен фильтрующей загрузки и ее фракционный состав существенно влияют на работу фильтра. Использование более крупного фильтрующего материала влечет за собой снижение качества фильтрата. Использование более мелкого фильтрующего материала вызывает уменьшение фильтроцикла, перерасход промывной воды и удорожание эксплуатационной стоимости очистки воды.

Важным показателем качества фильтрующего материала является его механическая прочность. Механическую прочность фильтрующих материалов оценивают двумя показателями: истираемостью (т.е. процентом износа материала всдледствие трения зерен друг одруга во время промывок - до 0,5) и измельчаемостью (процентом износа вследствие растрескивания зерен - до 4,0).

Важным требованием, предъявляемым к качеству фильтрующих материалов, является их химическая стойкость по отношению к фильтруемой воде, то есть, чтобы она не обогащалась веществами, вредными для здоровья людей (в питьевых водопроводах) или для технологии того производства, где она используется.

Кроме вышеизложенных технических требований фильтрующие материалы, используемые в хозяйственно-питьевом водоснабжении, проходят санитарно-гигиеническую оценку на микроэлементы, переходящие из материала в воду (бериллий, молибден, мышьяк, алюминий, хром, кобальт, свинец, серебро, марганец, медь, цинк, железо, стронций).

Наиболее распространенным фильтрующим материалом является кварцевый песок - речной или карьерный. Наряду с песком применяют антрацит, керамзит, горелые породы, шунгизит, вулканические и доменные шлаки, гранодиорит, пенополистирол и др. (таблица 2).

Керамзит представляет собой гранулированный пористый материал, получаемый обжигом глинистого сырья в специльных печах (рисунок 4).

Горелые породы представляют собой метаморфизированные угленосные породы, подвергнутые обжигу при подземных пожарах.

Вулканические шлаки - материалы, образовавшиеся в результате скопления газов в жидкой остывающей лаве.

Шунгизит получают путем обжига природного малоугленосного материала, - шунгита, который по своим свойствам близок к дробленому керамзиту.

В качестве фильтрующих материалов могут быть использованы также отходы промышленных производств, доменные шлаки и шлаки медно-никелевого производства.

В качестве фильтрующего материала на фильтрах также используется пенополистирол. Этот зернистый материал получают вспучиванием в результате тепловой обработки исходного материала - полистирольного бисера, выпускаемого химической промышленностью.

Таблица 3. Основные характеристики фильтрующих материалов

Страницы: 1, 2, 3